脉冲雷达GaN MMIC功率放大器的电源管理

作者：David Bennett and Richard DiAngelo

采用高度集成和高度复杂的高功率射频（RF）GaN功率放大器（PA）的系统，例如脉冲雷达应用，是当今数字控制和管理系统不断面临的挑战，以跟上这些不断提高的复杂水平。为了在这个市场上竞争，当今的控制系统必须非常灵活、可重复使用，并且易于适应各种RF放大器架构，这些架构可以根据客户的需求进行定制。这些复杂的管理系统需要创新的补偿算法、内置测试（BIT）功能、本地和远程通信接口、关键系统性能参数和环境条件的监控以及系统故障保护。这些系统的复杂性增加是由基于半导体的RF系统对更高功率的需求推动的。

这些高功率系统会产生大量热量，从而影响放大器性能和平均故障间隔时间（MTBF）。这些系统所需的RF放大器MMIC价格昂贵;高功率器件。因此，客户希望实时监控基于GaN PA的系统的性能和温度。这允许在损坏之前检测即将发生的问题，以便他们可以采取必要的措施来防止它。通过适当的控制电子设计，实现可以非常灵活，并且可以与任何RF放大器架构一起使用。数字电子产品可以根据客户的需求进行定制。数字设计可以包括内置保护逻辑，以便在接近损坏阈值时禁用GaN RF放大器。这些关键特性在需要优化宽带宽和温度下的RF性能方面起着至关重要的作用。它们有助于实现高水平的可测试性、可维护性、易于系统集成和校准，从而提供技术差异化。

当今的半导体RF放大器的复杂性和输出功率不断增加。为了优化性能、管理电源排序、提供故障检测以及提供放大器系统监控和保护，可以使用可重新编程的现场可编程门阵列（FPGA）和/或微控制器来实现电子设备。可重新编程的解决方案为当今高级RF放大器子系统的开发提供了所需的灵活性。可重新编程性最大限度地降低了电路板重新设计的风险，以及由于设计错误而导致的进度延迟。这些放大器系统具有相似但不同的要求，具体取决于应用。数字控制电子架构是为满足应用要求而量身定制的，通常包括：

数字控制器

非易失性存储器

模数转换器 （ADC）

数模转换器 （DAC）

数字输入/输出 （I/O）

直流电源调节

通信接口

各种模拟传感器

硬件和软件的重用是能够快速有效地开发设计变体的关键。这些功能减少了工厂测试和校准的时间，并提供了重要的诊断工具，有助于调试系统问题。

图1.典型的氮化镓PA控制系统。

ADI RF放大器的大多数控制系统都采用了FPGA。这些器件用途广泛，可以包括内部软核或嵌入式处理器。FPGA 可以实现多个并行功能，这些功能可以同时独立运行。因此，FPGA能够对命令和关键电路条件做出快速反应，以保护RF电子设备。逻辑函数和算法通常以硬件描述语言（HDL）实现，例如Verilog或VHDL。逻辑功能的执行由FPGA中的状态机逻辑控制。状态机根据输入和输出条件控制执行的操作顺序。

放大器性能优化： 为了优化放大器性能，必须设置栅极电压以达到数据手册中放大器指定的电源电流。栅极电压通过DAC调节，同时使用ADC监控功率放大器的电源电流。这些特性提供了快速校准RF放大器栅极电压的能力，而无需探测或修改RF电子器件。

增强的电源排序、电源管理、电源监控：FPGA设计可用于对稳压器和RF放大器进行排序，以最大限度地降低上电电流，并监控和检测放大器和电源故障。FPGA 可以根据检测到的故障情况关闭系统组件，或通过控制接口向计算机报告状态，从而采取保护措施。FPGA可以通过关闭未使用时的电路（待机模式）来管理整体系统功耗。

温度监控、热管理：温度是高功率放大器系统中射频性能的关键因素。通过提供温度监控功能，FPGA可以实现在整个温度范围内补偿放大器的算法。此外，通过温度监控，FPGA可用于控制风扇速度等冷却系统，以最大程度地降低性能。该逻辑可以检测潜在的破坏性热条件并采取适当的措施。

数字和模拟 I/O：FPGA 可以控制射频开关、移相器、数字衰减器和电压可变衰减器（模拟衰减器）。几乎任何模拟传感器信号都可以使用ADC连接到FPGA。只要感兴趣的信息可以转换为数字格式并连接到FPGA，就可以监控和/或将感兴趣的信息或信号应用于算法进行处理。

控制、计算机接口、图形用户界面 （GUI）：这些可能是管理系统最重要的方面，因为它们可以轻松访问放大器系统提供的所有控制、传感器和诊断数据。可以开发GUI以将所有控制和状态信息格式化为易于使用的人机界面。可以开发软件脚本，以促进在整个系统集成和最终测试过程中实现极高的生产测试覆盖率、校准和故障分析。测试数据可以写入计算机文件或从计算机文件中读取，校准数据可以存储到NVRAM中，以便在运行时用作补偿算法的变量。除了工厂使用之外，这款功能强大的接口工具还可以在现场使用，以监控系统运行状况，确定系统根本原因故障，并提供控制软件的轻松现场升级。此接口的变体可以轻松用于物联网 （IoT） 应用，有助于将智能带入边缘。

GaN RF功率放大器可用于连续波（CW）模式和脉冲模式应用。从控制的角度来看，脉冲操作更具挑战性，因此它是本次讨论的重点。脉冲射频可用于通信、医疗和雷达应用，仅举几例。脉冲操作具有减少散热的优点，有助于降低冷却方案的要求，并最大限度地减少系统外部直流电源要求。然而，增加的脉冲重复频率（PRF）与更低的占空比和更快的建立时间要求相结合，继续推动最新技术的发展。我们满足这些苛刻要求的方法是利用数字控制系统对RF MMIC进行脉冲。现场可编程门阵列通常用于启用/禁用RF MMIC，使用栅极或漏极脉冲技术，具体取决于系统要求。FPGA与RF MMIC的控制接口通常包括用于切换MMIC漏极电源的电路，或与栅极接口的某种形式的模拟或数模电路。根据开关速度和建立时间要求，电容器组可能需要在本地存储能量，以便在对MMIC进行脉冲时实现最有效的直流偏置。

图2和图3显示了可用于脉冲RF应用的通用典型电路。FPGA 提供脉冲信号的定时控制，并为射频 MMIC 提供同步状态监控和保护。FPGA 可以接收单个脉冲信号并将其分配到一个或多个 RF MMIC 器件，同时保持紧密的时序关系。

图2.典型的栅极控制方案。

图3.典型的漏极开关方案。

总结

ADI公司继续为客户开发和现场使用复杂的RF功率放大器系统。

为了在这个市场上竞争，当今的控制系统必须非常灵活、可重复使用，并且易于适应各种RF放大器架构，这些架构可以根据客户的需求进行定制。它们可以包括内置保护逻辑，以便在接近损坏阈值时禁用RF放大器，并在需要在宽带宽和工作温度下优化RF性能方面发挥关键作用。它们有助于实现高水平的可测试性、可维护性、易于系统集成和校准，从而提供与竞争对手的技术差异化，从而利用当今的高功率进行有影响力的创新 功放管理系统。

在这些系统中实施的MMIC电源管理系统允许ADI与我们的客户合作，为他们提供与自己的系统无缝集成的系统，从而使ADI能够提升堆栈。对这些类型的半导体RF放大器系统的需求持续增长。随着这些系统的复杂性不断增加，随着我们继续创新当今基于GaN的高功率放大器管理系统，保护和控制这些系统所需的数字控制电子设备的复杂性也将继续增长。

审核编辑：郭婷